裝配式預應力混凝土空心橋面鋪裝層受力分析

裝配式預應力混凝土空心橋面鋪裝層受力分析

橋面鋪設和缺陷是中國道路上的一個重要問題。引起橋面鋪裝病害的原因是多方面的,其主要原因大致可以分為鋪裝結(jié)構(gòu)復雜的受力特性、鋪裝材料性能和橋面鋪裝施工三個方面。詳細了解鋪裝結(jié)構(gòu)的受力特性是選擇橋面鋪裝材料和結(jié)構(gòu)設計的前提條件。本文結(jié)合工程實例,對混凝土橋面鋪裝層在輪載作用下的受力狀態(tài)進行了分析,以明確橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力特性,從而為橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設計和混凝土的材料的選擇提供技術參考。1部橋臺橋墩布置該橋為裝配式預應力混凝土空心板橋,共三跨,單跨跨徑為13m,全長39m,上部采用裝配式預應力混凝土空心板,簡支連續(xù),下部橋臺采用肋板柱式臺,橋墩為柱式墩。橫向布置為12塊預應力混凝土空心板,通過鉸縫連接,空心板鉸縫內(nèi)預留鋼筋,與相鄰空心板的鋼筋交叉綁扎。在空心板兩端鉸縫處設置施工中防側(cè)向位移的抗拉錨栓,在墩臺上設置橫向抗震擋塊。設計荷載等級:汽車-超20級,掛車-120?？招陌迳蠟?0cm厚的現(xiàn)澆C40混凝土鋪裝層,最上層為10cm厚的瀝青混凝土面層。斷面如圖1所示。2計算方案2.1有限元分析的單元類型在建立計算模型時,不考慮施工等人為因素的影響,假定橋面的截面幾何尺寸沿縱向不發(fā)生變化,同時不考慮橋墩和承臺的變形,將其視為剛體,假定空心板和鋪裝層之間完全連續(xù)。在計算分析過程中,采用的坐標系為:X為沿橋的橫向,Y向為豎直向上,Z向為沿橋縱向。為了計算企口縫處的應力狀態(tài)及空心板和鋪裝層之間的粘結(jié)性能,截取橋梁單跨進行模擬計算分析,分別按考慮空心板間有鉸接和鉸完全破壞兩種情況計算。板端支撐為一端取為鉸支(限制X,Y,Z三個方向的位移),另一端取為滑支(僅允許縱向Z軸的滑移)。有限元方法作為發(fā)展比較成熟的數(shù)值分析方法,在數(shù)值計算的各個領域都有著成功的應用?；诜汉兎衷硗茖С龅挠邢拊嬎愀袷?可以對各種復雜的實際問題,在不同的網(wǎng)格條件下求解得到唯一符合或接近實際的結(jié)果,而僅在精度上有所差別。有限元法中的單元類型多種多樣,一般說來,不同的單元對應于不同的位移模式,具有不同的特點,適于分析不同的問題。正確地選取單元類型是對結(jié)構(gòu)進行有限元分析時的重要環(huán)節(jié),本文采用空間塊體單元solid45對橋梁進行有限元網(wǎng)格剖分,能夠比四面體單元達到更高的精度要求。鉸完全破壞時劃分的單元總數(shù)為105560,節(jié)點總數(shù)為137800;考慮鉸接時劃分的單元總數(shù)為127400,節(jié)點總數(shù)為150732。整體網(wǎng)格剖分見圖2。2.2荷載汽車-超20級設計橋涵或受車輛影響的構(gòu)造物所用的車輛荷載,分為計算荷載和驗算荷載兩種。計算荷載以汽車車隊表示,驗算荷載以履帶車、平板掛車表示。根據(jù)設計要求,該橋采用計算荷載汽車-超20級和驗算荷載掛車-120。根據(jù)規(guī)范要求,汽車-超20在橫向布載為并排兩輛,掛車-120在橋梁全長內(nèi)用一輛布載。計算荷載計入汽車荷載的沖擊系數(shù),平板掛車不計沖擊力,計算中車載各個車輪對橋面的作用力簡化為均布力,根據(jù)規(guī)范確定其輪載作用面積。2.3汽車鉸縫破壞的計算為了模擬空心板簡單鉸接(有鉸接、鉸接破壞兩種情況)的模型,比較重車車輪荷載的不同作用位置,分析鋪裝層與空心板交界面的應力狀況、鋪裝層局部應力狀況?，F(xiàn)分為以下8種工況進行計算:A—鉸縫破壞,汽車-超20輪載作用在中間鉸縫處;B—鉸縫破壞,汽車-超20輪載作用在距邊緣0.5m處;C—鉸縫破壞,掛車-120輪載作用在中間鉸縫處;D—鉸縫破壞,掛車-120輪載作用在距邊緣1.25m處;E—考慮鉸接,汽車-超20輪載作用在中間鉸縫處;F—考慮鉸接,汽車-超20輪載作用在距邊緣0.5m處;G—考慮鉸接,掛車-120輪載作用在中間鉸縫處;H—考慮鉸接,掛車-120輪載作用在距邊緣1.25m處。其中,輪載在橋上的橫向布置如圖3、圖4所示。3結(jié)論分析根據(jù)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力特點,對鋪裝層的最大撓度、正應力、剪應力及主應力進行了計算分析,結(jié)果見表1。3.1空心板偏載時的撓度橋面板在車輛荷載作用下的最大豎向撓度發(fā)生在工況D,此時,由于橋面板受到偏載的作用使得最外側(cè)的空心板產(chǎn)生最大豎向撓度達到9.818mm,沒有超過容許撓度,滿足要求。3.2鋪裝層應力分布橋面鋪裝層常見的一類破壞是橋面鋪裝層出現(xiàn)開裂,裂縫會逐漸延伸到面層形成貫穿裂縫,鋪裝層的開裂不僅直接影響橋面鋪裝的使用性能,加速其進一步破壞,而且雨水會順著裂縫下滲,侵蝕開裂區(qū)下面的空心板,危害空心板的強度和使用壽命。因此控制鋪裝層開裂破壞的鋪裝層最大拉應力應作為一個重要設計指標,分析其分布變化規(guī)律,從而了解鋪裝層開裂破壞的特性,采取有效的措施加以防范控制。橋面鋪裝層縱向最大法向拉應力發(fā)生在工況C,其最大值為1.240MPa,發(fā)生在局部區(qū)域,呈現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,是由于將空心板與橋面鋪裝層考慮為連續(xù)處理,傳遞較大的剪力引起的,其它大部分區(qū)域均為壓應力。最大主拉應力為7.090MPa,發(fā)生在工況C,由于鉸接完全破壞,在鉸縫處呈局部應力集中現(xiàn)象,其大部分區(qū)域不超過2.00MPa,在考慮鉸接時,最大主拉應力為1.510MPa,發(fā)生在工況H,由于集中力作用引起應力集中,其它大部分區(qū)域的值不超過1.00MPa?？梢栽诰植繀^(qū)域加鋪鋼筋防止裂縫的產(chǎn)生。3.3鋪裝層應力集中部位橋面鋪裝粘結(jié)層破壞是導致橋面鋪裝病害的一個主要原因,鋪裝層與橋面板間的接觸粘結(jié)狀態(tài)比較復雜,層間既包括粘結(jié)層材料的粘結(jié)力,也存在鋪裝層混凝土集料與橋面板間的摩阻力,確定粘結(jié)層的剛度或模量也很困難。這里把鋪裝層與橋面板間的接觸條件假定為連續(xù)體系進行計算分析。各工況下橋面鋪裝層的剪應力值如表1所示。鋪裝層底面最大縱向剪應力為1.020MPa,發(fā)生在工況D,由應力集中引起,其大部分區(qū)域的值較小約為0.3MPa。鋪裝層底面剪應力對橋面鋪裝的粘結(jié)性能有較大的影響,由表1可以看出,當鉸接完好時,隨著縱向剪應力的增大,鋪裝層內(nèi)的第一主應力和縱向正應力也成逐漸增大趨勢。當鉸接完全破壞時,在輪載作用下橋面鋪裝層產(chǎn)生較大的豎向剪應力,其中最大剪應力發(fā)生在工況C,值為2.350MPa,呈明顯應力集中現(xiàn)象,大部分區(qū)域的值均小于0.5MPa。4橋面鋪裝層應力集中現(xiàn)象通過有限元計算分析可知,橋面鋪裝層在荷載作用下的局部受力情況比較復雜。該橋的最大豎向撓度為9.818mm,沒有超過跨徑的1/600,滿足規(guī)范要求。橋面鋪裝層的最大主拉應力為7.09MPa,其作用范圍較小,呈明顯局部應力集中